行星、恆星、星系、所有物質和能量的總體 来自维基百科,自由的百科全书
宇宙(英語:universe,拉丁語:universum)包括所有的空間、時間[a]及其內容[10]。它包括所有存在的事物、所有基本相互作用、物理變化和物理常數,因此也包括所有形式的物質和能量及其所形成的結構,其範圍小到次原子粒子,大到整個星系絲狀結構。根據當前主流的宇宙學理論——大爆炸理論,空間和時間在大約±0.020 億年前共同誕生 137.87[11],從那時起,宇宙就開始不斷膨脹。今天,宇宙已經膨脹到只有部分範圍可被人類觀測,即所謂的可觀測宇宙,其直徑大約為930億光年,而整個宇宙的空間大小(如果有的話)仍然未知[3]。
最早的一些宇宙學模型由古希臘和印度的哲學家提出,這些模型屬於地心說,也就是認為地球位於宇宙的中心[12][13]。隨著幾個世紀以來天文觀測的進步,尼古拉·哥白尼提出了以太陽為太陽系中心的日心模型。艾薩克·牛頓在發展萬有引力定律時,借鑒了哥白尼的工作、約翰內斯·開普勒的行星運動定律以及第谷·布拉赫的觀測成果。
隨著觀測技術的進一步發展,人們逐漸認識到,太陽是銀河系中數千億顆恆星之一,而銀河系又是可觀測宇宙中數千億個星系之一。許多星系中的恆星擁有行星。在最大尺度上,星系在各個方向上均勻分佈,這意味著宇宙既沒有邊緣也沒有中心。在較小尺度上,星系以星系團和超星系團的形式分佈,這些結構在空間中形成巨大的絲狀結構和空洞,構成了類似泡沫的巨大結構[14]。20世紀初的發現表明,宇宙有一個開端,並且自那時以來一直在膨脹[15]。
根據大爆炸理論,隨著宇宙的膨脹,最初的能量和物質變得越來越稀疏。在大約10−32秒時發生了一次稱為暴脹時期的初始加速膨脹,隨後四種已知的基本力分離開來,宇宙逐漸冷卻並繼續膨脹,使得最早的次原子粒子和簡單原子得以形成。巨大的氫雲和氦雲逐漸被吸引到物質最密集的地方,形成了第一批星系、恆星以及今天所見到的一切。
透過研究引力對物質和光的影響,人們發現宇宙中包含的物質遠遠超過可見物體(如恆星、星系、星雲和星際氣體)所能解釋的數量。這種看不見的物質被稱為暗物質[16](「暗」意指有大量強有力的間接證據證明其存在,但尚未能直接探測到它),它與宇宙的其他部分一同誕生,並逐漸聚集成絲狀結構和空洞的泡沫狀結構,從而促成其他形式的物質聚集成可見的結構。ΛCDM模型是當前最廣泛接受的宇宙模型。該模型表明,宇宙中大約±1.2%的質量和能量是 69.2%暗能量,這種能量導致了宇宙膨脹的加速,而大約±1.1%是暗物質 25.8%[17]。因此,普通(「重子」)物質僅佔宇宙的±0.1% 4.84%[17]。其中,恆星、行星和可見的氣體雲僅佔普通物質的約6%[18]。
關於宇宙的終極命運,以及在大爆炸之前是否存在什麼,有許多競爭性的假說。與此同時,其他物理學家和哲學家則拒絕進行推測,因為他們懷疑是否有可能獲得關於先前狀態的資訊。一些物理學家提出了各種多元宇宙假說,認為我們的宇宙可能只是眾多宇宙中的一個[3][19][20]。
物理學的宇宙被定義為所有的時間與空間[a](兩者共同稱為時空)[10];這包含了電磁輻射及物質等所有能量的各種形態,進而組成行星、衛星、恆星、星系及星系際空間[21][22][23]。宇宙也包含了影響能量與物質的物理定律,包含守恆定律、古典力學及相對論[24]。
宇宙通常被定義為「存在的總和」,或是過去、現在及未來所有存在的萬物[24]。事實上,部分哲學家及科學家認為宇宙的定義包含了數學、邏輯等等思想及抽象的概念[26][27][28]。「宇宙」這個詞也可以指「世界」、「自然」等概念[29][30]。
「宇」,「宙」分別指屋檐和船檐[31]。今義可追溯自戰國時期尸佼的著作《尸子》〈卷下〉篇:「上下四方曰宇,往古来今曰宙[32]」,將「宇」指代空間的四方,「宙」則指代時間的延續[33]。首次宇宙連用則出現於《莊子》〈齊物論〉:“旁日月,挟宇宙[34]”,此處的「宇宙」意味著天地萬物以及時空的廣大[33]。另有太空一詞,通常指「我們」以外的空間。「太」即「大」。
宇宙的英語「universe」起源於古法語的「univers」,而該詞又源自於拉丁語的「universum」[35],為全部,大全的意思,大學(university)也有相同詞根。 西塞羅與後來的拉丁語作者曾使用過「universum」這個詞彙,與現代英語所使用的「universe」意義相同[36]。
畢達哥拉斯以降的古希臘哲學家,將宇宙稱做「τὸ πᾶν」(即Pan-,泛,一切),定義為一切的物質與空間,而「τὸ ὅλον」(一切事物)則不包含空無狀態[37][38]。另外一個同義詞則是「ὁ κόσμος」(英語:cosmos,意義為世界、宇宙),宇宙學使用此詞根[39]。拉丁語學者也常使用「totum」、「mundus」、「natura」等詞稱呼宇宙[40],且影響現今的語言,如德國以「Das All」、「Weltall」與「Natur」稱呼宇宙。英語中也能找到宇宙的同義詞,如「everything」(如萬有理論)、「world」(如多世界詮釋)與「nature」(如自然法或自然哲學)[41]。
目前主流的宇宙演化模型是大爆炸理論[42][43]。這一理論指出,宇宙最初處於極其高溫和致密的狀態,隨後經歷了膨脹和冷卻。這一模型建立在廣義相對論的基礎上,並採用了空間均勻性和各向同性等簡化假設。帶有宇宙學常數(Λ)和冷暗物質的版本,稱為ΛCDM模型,是目前最簡單且能合理解釋各種宇宙觀測現象的模型。
最初的高溫致密狀態被稱為普朗克時期,這是從時間零點延續到一個普朗克時間單位(約10−43秒)的一個極短暫階段。在普朗克時期,所有物質和能量都集中在一個高度致密的狀態中,而當今四種已知基本力中最弱的重力,被認為在當時與其他基本力一樣強,甚至可能所有基本力都是統一的。由於我們尚未理解這一段極早期階段的物理學(包括普朗克時期的量子引力),因此無法確定時間零點之前是否發生過任何事件。自普朗克時期以來,宇宙已經膨脹到目前的規模,並且據推測,在最初的10−32秒內發生了一個極短暫但極其劇烈的宇宙膨脹期[44]。這一初期的膨脹解釋了為什麼宇宙的空間看起來如此平坦。
在宇宙誕生後的最初幾分之一秒內,四種基本力已經分離。隨著宇宙從極度高溫的狀態逐漸冷卻,各種次原子粒子在短暫的時期內開始形成,這些時期被稱為夸克時期、強子時期和輕子時期。這些時期總共加起來不到大爆炸後的10秒。這些基本粒子逐漸穩定結合成更大的組合體,包括穩定的質子和中子,之後這些粒子經由核融合形成了更複雜的原子核[45][46]。
這一過程稱為太初核合成,持續了約17分鐘,並在大爆炸後約20分鐘結束,因此只有最快速且最簡單的反應得以發生。大約25%的質子和所有中子(以質量計)在這段時間內被轉化為氦,並生成少量的氘(氫的一種形式)和微量的鋰。其他元素則僅形成極微量。剩下的75%質子未參與反應,繼續作為氫原子核存在[45][46]:27–42。
在核合成結束後,宇宙進入了一個被稱為光子時期的階段。在這段時間內,宇宙的溫度仍然過高,無法形成中性原子,因此宇宙充滿了高溫、致密且霧狀的等離子體,由帶負電的電子、中性中微子和帶正電的原子核組成。大約在37.7萬年後,宇宙的溫度逐漸降低,電子和原子核開始結合形成第一批穩定的原子。這一過程歷史上稱為「復合」,但實際上是電子與原子核的首次結合。與等離子體不同的是,中性原子對許多波長的光線是透明的,因此宇宙也首次變得透明。這些在原子形成時釋放(「退耦」)的光子至今仍然可見,構成了我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射[46]:15–27。
隨著宇宙膨脹,電磁輻射的能量密度下降得比物質更快,因為光子的能量隨著宇宙紅移逐漸減少。大約在宇宙誕生後47,000年,物質的能量密度超過了光子和中微子的能量密度,開始主導宇宙的大尺度行為。這一變化標誌著輻射主導時代的結束,以及物質主導時代的開始[47]:390。
在宇宙的最初階段,微小的密度波動導致暗物質逐漸集中形成區域。普通物質受到引力的吸引,聚集到這些暗物質最密集的地方,形成了大型氣體雲,最終在這些區域誕生了恆星和星系,而在暗物質稀疏的地方則形成了宇宙的空洞。大約在宇宙誕生後的1到3億年間[47]:333,第一批恆星誕生,稱為第三星族星。這些恆星可能非常巨大、明亮、缺乏金屬元素且壽命短暫。它們在大約2到5億年到10億年間,逐漸使宇宙再電離,並通過恆星核合成為宇宙帶來了比氦更重的元素[48]。
宇宙中還存在一種神秘的能量,可能是一個純量場,被稱為暗能量,其密度隨時間保持不變。大約在宇宙誕生後98億年,宇宙的膨脹使得物質密度降到低於暗能量密度,這標誌著當前暗能量主導時代的開始[49]。在這個時代,由於暗能量的影響,宇宙的膨脹速度正在加快[17]。
在四種基本相互作用力中,引力在天文尺度上是最主要的力量。引力的效應具有累積性;相比之下,正負電荷的效應傾向於相互抵消,這使得電磁力在天文尺度上,相對來說不那麼重要。剩下的兩種相互作用力,弱核力和強核力,隨著距離的增加迅速衰減,其效應主要限於亞原子尺度[50]:1470。
宇宙中似乎擁有遠多於反物質的物質,這種不對稱現象可能與CP破壞有關[51]。這種物質與反物質之間的失衡部分解釋了為何今天宇宙中仍然有物質存在,因為如果在大爆炸中物質與反物質的產生是對等的,它們會完全湮滅彼此,最終只留下光子作為相互作用的結果[52] 。這些定律包括高斯定律以及應力-能量-動量贗張量的無發散性[53]。
根據廣義相對論,由於光速的限制以及宇宙不斷膨脹的原因,即使在宇宙的壽命內,某些遙遠的空間區域可能永遠無法與我們互相影響。舉例來說,即便宇宙可以無限存在,從地球發出的無線電訊號也可能無法抵達某些區域,因為空間膨脹的速度可能超過了光的傳播速度[54]。
透過望遠鏡能夠觀測到的空間區域被稱為可觀測宇宙,這個範圍取決於觀測者所在的位置。從地球到可觀測宇宙邊緣的「適當距離」——也就是在特定時間(例如現在)測量的距離——約為460億光年(140億秒差距)[55],因此可觀測宇宙的直徑約為930億光年(280億秒差距)[55]。從可觀測宇宙邊緣傳到地球的光,行經的距離非常接近宇宙的年齡乘以光速的結果,即13.8 × 109光年(4.2 × 109秒差距),但這並不代表在任何特定時間的實際距離,因為自從光從宇宙邊緣發出後,這個邊緣與地球之間的距離已進一步擴大[56]。
作為比較,一個典型星系的直徑大約是30,000光年(9,198秒差距),而兩個相鄰星系之間的距離通常約為300萬光年(919.8千秒差距)[57]。例如,銀河系的直徑大約在100,000到180,000光年之間[58][59],而最近的姐妹星系——仙女座星系——距離銀河系約250萬光年[60]。
由於人類無法觀測到可觀測宇宙邊界之外的空間,因此我們無法確定整個宇宙的大小屬於有限還是無限[3][61][62]。有估計認為,如果宇宙是有限的,那麼其規模必須超過一個哈伯體積的250倍[63]。一些具爭議的[64]估算指出,若宇宙是有限的,其總體規模可能高達兆秒差距,這是根據哈圖-霍金量子態的一種推論所推測的結果[65][b]。
假設ΛCDM模型正確,根據多項實驗使用各種技術測量所得的參數,宇宙年齡的最佳估計值為137.99 ± 0.021億年(截至2015年)[2]。
隨著時間的推移,宇宙及其內部結構不斷演化。例如,類星體和星系的相對數量發生了變化[66],並且宇宙也在不斷膨脹。我們從遙遠星系的光被紅移的觀測中推斷出這種膨脹,這表明這些星系正在遠離我們。對Ia超新星的分析顯示,宇宙的膨脹速度正在加快[67][68]。
宇宙中的物質越多,物質之間的引力就越強。如果宇宙過於致密,將會重新塌縮成重力奇點。然而,如果宇宙中的物質過少,自身的引力將不足以形成星系或行星等天文結構。自大爆炸以來,宇宙一直在不斷膨脹。或許不足為奇的是,我們的宇宙恰好具有適當的質量–能量密度,大約相當於每立方公尺5個質子,這使得宇宙能夠在過去的138億年間膨脹,並有時間形成我們今天所觀測到的宇宙[69][70]。
在宇宙中有一股動力作用於粒子,影響著宇宙的膨脹速度。1998年之前,科學家們普遍認為,由於宇宙中的引力相互作用,膨脹速度隨著時間的推移會逐漸減慢;因此,宇宙中有一個可觀測的量稱為減速參數,大多數宇宙學家預計該參數為正值,並且與宇宙的物質密度相關。然而,在1998年,兩個不同的研究團隊測得該減速參數為負值,約為-0.55,這從技術上意味著宇宙標度因子的二階導數在過去50至60億年間一直為正值[71][72]。
現代物理學認為事件在時空中組織[73]。這一概念起源於狹義相對論,該理論預測,如果一位觀察者看到兩個事件在不同地點同時發生,那麼另一位相對於第一位觀察者運動的觀察者將看到這些事件在不同時間發生[74]:45–52。兩位觀察者對事件之間的時間和分隔事件的距離會有不同的觀點,但他們都會在光速取得一致同意,並且在組合量的測量上得到相同的結果[74]:80。這個量的絕對值平方根稱為兩個事件之間的間隔。這個間隔表示事件之間在時空中的分隔程度,而不僅僅是空間或時間中的分隔[74]:84,136[75]。
狹義相對論無法解釋引力。其後繼理論廣義相對論認識到時空並非固定不變而是動態的,並以此來解釋引力。在廣義相對論中,引力被重新定義為時空的曲率。像軌道這樣的曲線運動並不是某種力將物體從直線路徑上偏轉的結果,而是物體試圖在一個因其他質量存在而彎曲的背景中自由運動。物理學家約翰·惠勒的一句名言生動地概括了這一理論:「時空告訴物質如何運動;物質告訴時空如何彎曲[76][77]。」因此無法將二者分開考慮[15]。當引力效應較弱且物體運動速度遠低於光速時,廣義相對論的預測會近似於牛頓的引力理論[78](p. 327)[79]。
物質分布與時空曲率之間的關係由愛因斯坦場方程描述,這需要使用張量微積分來表達[80](p. 43)[81]。宇宙看起來像是一個平滑的時空連續體,由三個空間維度和一個時間維度構成。因此,物理宇宙中的一個事件可以用四個坐標來描述:(x, y, z, t)。從平均來看,可以觀察到空間幾乎是平坦的(曲率接近於零),這意味著歐幾里得幾何在大部分宇宙中是高度精確的經驗真理[82]。時空似乎也具有單連通的拓撲結構,類似於一個球體,至少在可觀測宇宙的尺度上是如此。然而,現有觀測並不能排除以下可能性:宇宙存在更多的維度(如弦理論所假設的),以及時空可能具有多重連通的全域拓撲結構,類似於二維空間中的圓柱或環面拓撲結構[83][84]。
廣義相對論描述了質量和能量(即引力)如何彎曲和扭曲時空。宇宙的拓撲或幾何包括可觀測宇宙的局部幾何和整個宇宙的全域幾何。宇宙學家通常會使用一個稱為同移座標的時空切片來研究宇宙。可觀測的時空區域由向後的光錐界定,它標識了宇宙學視界。宇宙學視界,也稱為粒子視界或光視界,是在宇宙的年齡內,粒子可以到達觀察者的最大距離。這個視界劃分了可觀測區域與不可觀測區域的邊界[85][86]。
決定宇宙未來演化的一個重要參數是密度參數 (Ω),它被定義為宇宙的平均物質密度與臨界密度的比值。根據Ω等於1、小於1還是大於1,宇宙可以具有3種可能的幾何結構,這些結構分別稱為平坦宇宙、開放宇宙和封閉宇宙[87]。
根據宇宙背景探測者、威爾金森微波各向異性探測器和普朗克衛星對宇宙微波背景的測繪及觀測結果,表明宇宙有無限空間,但是具有有限的年齡,這與弗里德曼-勒梅特-羅伯遜-沃爾克度規的描述一致[88][83][89][90]。該模型支持了暴脹模型和標準宇宙學模型,描繪了一個平坦、均勻的宇宙,現今由暗物質和暗能量所主導[91][92]。
微調宇宙假說認為,宇宙中允許可觀測生命存在的條件,只有當某些基本物理常數位於非常狹窄的範圍內時才會出現。根據這一假說,如果若干基本常數中的任何一個稍有變化,宇宙很可能就無法適應物質、天文結構、元素多樣性或生命的形成與發展。這一假說是否成立,以及探討這個問題是否具有邏輯意義,都是廣泛爭論的話題[93]。這一命題在